對交流變頻調速電機的設計探究

譚偉，譚冰

佳木斯電機股份有限公司

對交流變頻調速電機的設計探究

譚偉，譚冰

佳木斯電機股份有限公司

隨著我國科技水平的不斷發展，交流變頻調速電機的出現已經逐漸替代了無極調速電磁調速機和調壓調速電動機。在電動機領域中，交流變頻調速電機已經遍布應用在各個領域中，在控制方面和經濟適用方面也逐步提高到了一個高效能高實用性的方面，和直流調速電機相比也在不斷的有新的技術革新。本文筆者則從交流變頻調速電動機的控制入手，簡單介紹交流變頻調速電機的控制方式，然后重點介紹其基本的設計原理，以供參考。

交流變頻；調速電動機；設計；控制方式；原理

前言

交流變頻調速電機目前在我國很多生產制造企業中應用廣泛，其優勢在于能夠節能環保，而在我國市面上的交流變頻調速電機均是具有負載特性的風機和泵機結構的轉速控制電機，這種變頻電機的控制方式和以往風門、閥門的調節方式相比能夠節能近一半左右。而在設計工藝的比較上，調速的生產工藝也是能夠調速控制的方式之一，一方面不僅能夠實現電動機的軟啟動，更能夠實現電網對電機的沖擊。因此，交流變頻調速電機在生產和控制上能夠提高控制精度和生產效率，還能夠不斷擴大調速范圍，起到了穩定電壓和轉速的作用。

1.交流變頻調速電動機的控制方式

1.1.流變頻調速電動機的矢量控制

交流電動機的矢量控制一般情況下是通過模擬直流電動機的轉矩控制規律，這樣一來直流電動機的電樞電量控制和勵磁電流量就被確定的電流所分解，在矢量的控制上，對于轉矩的控制要對直流電動機的優良性能有一定的考量，要不斷快速的相應和并能夠起到一個良好的啟動、制動的效果，只有這樣才能夠符合電動機的場合工作要求。

1.2.流變頻調速電動機的直接轉矩控制

直接轉矩控制目前在我國高速發展的電機變頻操作模式中與矢量控制和變換有著不同的運算方式，釘子空間矢量和三廂電動機的數字模型可以通過直接轉矩控制來一起分析，對于開環方式的轉速和轉矩控制可以共同進行直接轉矩的控制。在PWM的波形下直接決定了轉矩的形成，相比之下，直接轉矩的控制效果則表現的更為優秀。

1.3.流變頻調速電動機的1V/F控制

異步電動機的轉速與定子電源頻率F的轉速在極對數之間有著顯著的聯系。當F出現變化時，定子電源的頻率就會有同步升降的轉速調整，但是在某種程度下，磁路的飽和和轉矩通常是不足的，在F改變時，定子的電壓可以進行同步調節，進而會確保氣隙的磁通量保持不變，電動機的工作效率也不會由此而發生改變，這種工作方式在實際控制中固然能發揮出較高的性能，但是由于其相應的設置時開環的，因此在調速的精度較低的范圍的狀態下不能使用與高精度要求的控制。

1.4.差頻率控制

異步電機的轉矩和氣縫頻率在氣隙磁通上保持一致，那么從電機學的角度就可以得到轉差頻率與控制轉差頻率在電動機轉矩控制上是等同的，這也就是說轉差控制頻率是通過速度檢測出的電動機的轉速，而電動機的速度和轉差頻率與逆變器的輸出頻率在控制精度上對電流的抑制等很多特性上比v/f控制方式有較大提高。但是在實際的穩態機械特性上能夠得出結論，控制方式中的維持磁通和恒定關系的轉矩是基本固定的，這也由此能夠得出電磁慣性給電動機帶來的影響在實際的動態應用效果上不夠理想，也不能有一個良好的控制效果。

2.基本設計原理和設計特點

2.1.流變頻調速電機的基本設計原理如下

我們用n1表示同步轉速，f表示交流電源頻率，p表示磁極對數，則：

n1=60f/p

而通過同步轉速公式我們又能看到，電源頻率f與轉速n之間成正比關系。所以，在實際設計中，我們可以通過對電源頻率的改變對電動機的轉速進行平滑調節。

而異步電動機的電動勢與電磁轉矩公式，又分別如下：

El=2.22fNφKdpφm

TN=C φmlRcosφR

如果在同等狀態下忽略定子阻的抗壓效果，那么如果U1= E1，那么當U1保持一個不變的數值時，F電源的頻率如果持續升高，那么φ m的氣隙就會逐漸減小，TN的電動機電磁轉矩也會同樣被減少，電動機的最大轉矩就會降低。如果相反的情況下電動機的變頻調速方式如果能夠被拖動電機的實際要求所選擇，例如在恒轉矩變頻調速的情況下，轉矩輸出保持不變，那么其φ m磁通也會保持不變。在這種方式控制下的電動機的電壓會和頻率形成一個正比的關系。但是如果對于恒功率變頻調速來說，在保持輸出功率不變的情況下，電壓就會始終保持在一個恒定值。這種控制方式下，頻率也會不斷的增加，氣隙磁通與電機的轉矩也會隨之降低。

2.2.計特點

交流變頻調速電動機目前普遍采用的是SPWM正弦脈寬調制技術，由于生產波形是工頻電網供電產生的正弦，在低頻空載的情況下電動機的損耗較大，但是溫度的升高，電動機的工作效率卻在降低，在轉矩降低的過程中，變頻調速電機與普通電機不能陪陪的問題成為變頻調速電機設計與開發的關鍵所在。通過長期的探索可以發現，交流變頻調速電機自帶風扇，這對電動機的冷卻就起到了關鍵作用，在很多場合下不能適應變頻供電。通常在恒轉矩的工作模式下，電動機的電流和電測會在一個恒定的數值中工作，但是在轉速與冷卻風量成正比時，熱量會產生在散去就會產生困難。因此，經過研究可以發現，變頻調速電動機硬通過外通風的方式進行冷卻設計，并且應該以科學的方式來降低電動機的實際損耗。同時，應認真分析空氣內的流暢和溫度場，以此來避免不同的溫度分布情況和不均勻的分布系數，通過這種方法就能夠起到分散并提高底部的散熱能力。因此，在電機的實際設計之中，應該充分這幾種問題，可利用減少電機氣隙不平衡以及電磁激振力的大小，并且進一步提高對定子鐵心內徑以及轉子鐵心外徑的實際加工精確度來降低電機噪聲。

結束語：

綜上所述，交流變頻調速電機目前的技術發展日新月異，交流變頻調速目前正以一個優異的調整性能變為現如今最有發展前途的一個調速方式，而交流變頻調速電動機的出現也正是我國電動機發展史上的一個嶄新的發展歷程。因此，對于變頻調速電動機的設計與分析就顯得尤為重要。也正因如此，變頻調速電動機的設計才能夠在生產制造行業中發揮其更大的優勢，為我國的生產制造行業做出更大的貢獻。

[1]紀振崗.變頻調速與電磁調速的綜合性能比較[J].河北煤炭.2004(05)

[2]胡志文.實用交流電機智能變頻調速系統[J].電子世界. 2002(05)